李彥達(dá)，代成棟，郭斌斌，范晨光

(西南交通大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院， 成都 610031)

基于FSR的人體壓力分布測試技術(shù)開發(fā)

李彥達(dá)，代成棟，郭斌斌，范晨光

(西南交通大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院， 成都 610031)

利用FSR壓力傳感器對記憶綿床墊、乳膠床墊及棕墊床墊進(jìn)行壓力分布對比測試，制作了可移動的FSR傳感器“床單”?；贔SR傳感器與UCAM多點(diǎn)靜態(tài)采集系統(tǒng)構(gòu)建了人體多點(diǎn)壓力分布測試系統(tǒng)。運(yùn)用Matlab對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行3次樣條插值，分別得到各種情況下的壓力分布的二維、三維云圖，然后對3種床墊的數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：記憶綿床墊的最大壓力在3種床墊中最小，并且壓力分布最均勻；記憶綿床墊的抗干擾性比乳膠床墊和棕墊床墊要好。

FSR壓力傳感器；人體壓力分布；床墊；記憶綿

人生1/3的時間是在床上度過的，坐臥時,人體局部長期受壓過大會引發(fā)褥瘡、坐瘡等疾病,每年用于該類疾病的治療費(fèi)用高達(dá)64億美元[1]。國外流行病學(xué)研究表明：15%～35%的成人存在睡眠質(zhì)量問題。影響睡眠質(zhì)量的因素包括環(huán)境、心理、健康狀況、作息規(guī)律等。國內(nèi)外研究表明：床墊作為睡眠的平臺，其類型及物理特性對睡眠質(zhì)量有著重要的影響[2]。因此，研究床墊的人體壓力分布從而制造更舒適的床墊勢在必行。

對于人體壓力分布測量技術(shù)，國外已經(jīng)有了長達(dá)40年的研究歷史,市場上也充滿了各式各樣的產(chǎn)品。按所用壓力傳感器類型來分,大致可分為電容式、壓阻式、應(yīng)變式等，其中應(yīng)用最為普遍的應(yīng)屬壓阻式和電容式壓力測試系統(tǒng)。如今，國內(nèi)外研究床墊上的人體壓力分布主要有以下幾個方面：防壓瘡、增強(qiáng)睡眠質(zhì)量等。2009年，Ioannis K.Angelidis[3]對在持續(xù)施加壓力的情況下隨著組織溫度升高導(dǎo)致壓瘡發(fā)病的概率的變化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得出的結(jié)論為：隨著組織溫度的升高，皮膚會因?yàn)樾玛惔x的增加導(dǎo)致貧血，由此皮膚也容易受到破壞，產(chǎn)生壓瘡。國內(nèi)對傳感器壓力測試的研發(fā)還處于起步階段,研究面也較窄,主要是研究足底壓力測量，如中國科技大學(xué)的人體步態(tài)分析系統(tǒng)[4]、四川大學(xué)的基于FSR的可穿戴式足底壓力檢測系統(tǒng)等[5]。國內(nèi)在防壓瘡方面的研究也進(jìn)行了很長時間。陳春麗等[6]通過對患者使用不同床墊進(jìn)行觀察，得到了氣墊比傳統(tǒng)海綿床墊對防止壓瘡病發(fā)有著更加顯著的效果的結(jié)論。南京林業(yè)大學(xué)多名研究人員[7]通過體壓分布測試、腦電實(shí)驗(yàn)和主觀評價取得了袋簧床墊的材料特性與床墊體壓分布。

本研究針對成都某廠家新生產(chǎn)的一種3層材料(主要組成為記憶綿)的新型床墊進(jìn)行壓力分布測試。記憶綿(memory foam)即慢回彈海綿，是一種具有開放式單元結(jié)構(gòu)(open-cell)的聚氨酯高分子聚合物。這種材料分子對溫度很敏感，所以又稱為溫感記憶綿[8]。本研究的主要任務(wù)則是將記憶綿與其他2種床墊進(jìn)行對比，檢測其減小受力的效果。實(shí)驗(yàn)的過程是制作一張可移動式“床單”鋪在3種不同的床墊上，采集人以不同姿勢躺在上面，測量床墊所受壓力以得到記憶綿床墊人體受力分布情況，對得出數(shù)據(jù)進(jìn)行比較[9]。

1 構(gòu)建FSR人體壓力分布測試系統(tǒng)

1.1 FSR壓力傳感器

1.1.1 FSR壓力傳感器介紹

FSR(force sensing resistor)壓力傳感器具有質(zhì)量輕、體積小、感測精度高等特點(diǎn)。其利用半導(dǎo)體材料受到應(yīng)力作用時電阻率會發(fā)生明顯變化的壓阻效應(yīng)，將被測量的壓力轉(zhuǎn)換為電量輸出。當(dāng)壓力傳感器感應(yīng)面施加的壓力增大時，其阻抗減小，從而取得壓力數(shù)據(jù)。該傳感器可用于機(jī)械手的末端夾持器感測夾持物品的有無、仿生機(jī)器人足下行走地面感測、哺乳類動物咬力測試生物實(shí)驗(yàn)等，應(yīng)用范圍極其廣泛。

本次實(shí)驗(yàn)使用的FSR傳感器是由艾動科技提供的FSR IM-S1-C40壓敏傳感器(如圖1所示)，傳感器的參數(shù)：傳感器有效區(qū)域?yàn)橹睆?0 mm的圓形區(qū)域；量程為50 g～20 kg；傳感器尺寸為120 mm×5 mm；引線寬度為120 mm；材質(zhì)為PET。

圖1 FSR IM-S1-C40壓敏傳感器

1.1.2 FSR傳感器的標(biāo)定

表1 傳感器標(biāo)定數(shù)據(jù)

圖2 FSR標(biāo)定曲線

1.2 UCAM-60B-AC數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)

采用2套UCAM-60B-AC數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)進(jìn)行傳感器信號測試及分析(圖2)。該系統(tǒng)是一種靜態(tài)采集器，參數(shù)如下：

1) 最小分辨率：0.1×10-6應(yīng)變量。

2) 最高精度：±(表示值的0.05%+0.3)×10-6應(yīng)變量。

3) 最大測量范圍：±500 000×10-6應(yīng)變量。

4) 工作環(huán)境：溫度0～50 ℃，濕度20%～85%。

5) 輸入信號為應(yīng)變傳感器信號，可進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)變、電壓、溫度、重力的測量，可以對應(yīng)120、240、350 Ω的阻值，可以1/4橋、半橋和全橋連接。

6) 掃描速度：50 ms/通道，自動掃描。

7) 外接采集掃描箱：50通道。

1.3 實(shí)驗(yàn)電路

根據(jù)傳感器特征和UCAM采集系統(tǒng)，為本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)如下測試系統(tǒng)(模擬電路見圖4)。

經(jīng)過計(jì)算，采用UCAM輸出2 V標(biāo)準(zhǔn)直流電壓，并采用如圖5所示電路進(jìn)行電壓采集。

圖3 2組UCAM-60B-AC數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)

圖4 模擬電路

圖5 傳感器電路設(shè)計(jì)

圖5中：FSR代表FSR傳感器；V+與V-為對傳感器供給電壓正負(fù)兩端；Vout+與Vout-為采集電壓正負(fù)兩端；R1為12 kΩ標(biāo)準(zhǔn)電阻；R2為180 Ω標(biāo)準(zhǔn)電阻。

(1)

圖6 傳感器電路-載荷曲線

2 FSR人體壓力分布測試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

2.1 零點(diǎn)值與真實(shí)測量值

2.1.1 零點(diǎn)值的確定

由于應(yīng)變片膠層有氣泡或雜質(zhì)、應(yīng)變片本身性能不穩(wěn)定、電路中有虛焊點(diǎn)、彈性體的應(yīng)力釋放不完全等原因都會導(dǎo)致傳感器的零點(diǎn)值發(fā)生偏移，所以為了選定零點(diǎn)值，取2組儀器空載時的零值的平均值作為真實(shí)的零點(diǎn)值，以降低零點(diǎn)誤差。

(2)

2.1.2 真實(shí)測量值

真實(shí)測量值與實(shí)際測量值之間同樣存在誤差。多次測量可以有效地減小偶然誤差，所以本次實(shí)驗(yàn)的真實(shí)測量值定為2次實(shí)際測量值的平均值，再減去真實(shí)零點(diǎn)值。

(3)

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

第1步擺放記憶綿床墊，將分布傳感器平鋪在床墊上接通儀器電源，調(diào)通各通道。

第2步預(yù)測試2組數(shù)據(jù)，測試傳感器零點(diǎn)示值。

第3步人體仰臥于分布傳感器中間部位，等待1 min，采集各通道數(shù)據(jù)，采集2次，每次采集間隔0.5 min。

第4步卸載，人體離開床墊，等待2 min，測試2組回零示值。

第5步測試2組零點(diǎn)示值，人體側(cè)臥加載，等待1 min，采集各通道數(shù)據(jù)，采集2次，每次采集間隔0.5 min。

第6步卸載，人體離開床墊，等待2 min，測試2組回零示值。

第7步測試2組零點(diǎn)示值，人體仰臥加載，等待1 min，采集各通道數(shù)據(jù)，采集2次，在外側(cè)再加載1個人，采集2次，每次采集間隔0.5 min。

第8步卸載，人體離開床墊，等待2 min，測試2組回零示值。

對于棕墊床墊與乳膠床墊的實(shí)驗(yàn)，為了方便對比，實(shí)驗(yàn)步驟與慢回彈床墊完全相同，在此不再進(jìn)行贅述。

3 數(shù)據(jù)后處理

3.1 床墊載荷分布圖

移動式“床單”上13×9個FSR壓力傳感器為均勻分布。為了方便制作受力圖，將其轉(zhuǎn)換成一個平面二維直角坐標(biāo)系。因其間距相等，所以二維直角坐標(biāo)系如圖7所示。

圖7 FSR傳感器的二維直角坐標(biāo)分布

由此，只需讀出數(shù)據(jù)采集器對應(yīng)通道與坐標(biāo)的關(guān)系便可通過可視化處理制作出床墊的載荷分布圖。以記憶綿床墊仰臥數(shù)據(jù)(圖8)為例說明數(shù)據(jù)處理方法。將每個通道所代表的傳感器的分布位置對應(yīng)在相應(yīng)的坐標(biāo)上。用前后2次采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值作為采集力值，以初始測試與回零值平均值作為零點(diǎn)，以采集力值與零點(diǎn)值之差作為實(shí)驗(yàn)力值。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：初始測試值與回零值在零附近，是否減去回零值對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)影響不大，但為了實(shí)驗(yàn)嚴(yán)謹(jǐn)性，還是減去回零值。通過采集，獲取各個分布點(diǎn)的單點(diǎn)力值。同理可以得出記憶綿床墊側(cè)臥的載荷分布圖以及棕墊床墊與乳膠床墊的載荷分布圖。

3.2 床墊壓力分布云圖

通過對FSR傳感器點(diǎn)的數(shù)據(jù)測量可以獲得床墊的載荷分布圖，然而床墊之上還有許多傳感器無法測量的點(diǎn)，對于這些點(diǎn)，采用Matlab對其進(jìn)行插值即可得到較為理想的連續(xù)的壓力云圖。

采用該方法得到的記憶綿床墊壓力云圖、乳膠床墊壓力云圖和棕墊床墊壓力云圖，對比情況如表2所示。圖9為壓力分布云圖的說明。

圖8 記憶綿床墊仰臥狀態(tài)載荷分布

記憶棉床墊乳膠床墊棕墊床墊仰臥方式加載三維云圖仰臥方式加載二維云圖側(cè)臥方式加載三維云圖側(cè)臥方式加載二維云圖

圖9 記憶綿床墊仰臥方式加載二維云圖說明

3.3 抗干擾性試驗(yàn)

對抗干擾性試驗(yàn)，先在分布傳感器上加載1人，測試數(shù)據(jù)，再在床墊一側(cè)加載1人，測試數(shù)據(jù)。

記憶綿床墊，乳膠床墊、棕墊床墊1人加載在床墊上的二維云圖與附加1人于床墊一側(cè)的二維云圖比較如表3所示。

表3 3種床墊抗干擾實(shí)驗(yàn)云圖對比

4 結(jié)論

通過對3種不同床墊的壓力分布測試可以得到其最大壓強(qiáng)值以及各測點(diǎn)的壓強(qiáng)分布的離差系數(shù)，如表4所示。

由表4可見：記憶綿床墊仰臥時的最大壓強(qiáng)明顯小于棕墊床墊，與乳膠床墊接近；側(cè)臥時的最大壓強(qiáng)約為棕墊床墊的61%，約為乳膠床墊的55%。在仰臥和側(cè)臥時，記憶綿床墊的壓強(qiáng)分布離差系數(shù)都要明顯小于棕墊和乳膠床墊，說明記憶綿床墊的壓力分布更加均勻。

通過比較3種床墊在仰臥狀態(tài)和側(cè)臥狀態(tài)下的載荷分布，得出記憶綿床墊有比乳膠床墊和棕墊床墊更多的受力點(diǎn)，除肩部和臀部這2個主要受力部位以外，還有身體其他部位受力，分擔(dān)壓力，從而使整個身體受力相對更加均衡。

表4 最大壓強(qiáng)值及其各測點(diǎn)數(shù)據(jù)離差系數(shù)

通過對比3種床墊的抗干擾性實(shí)驗(yàn)的壓力云圖可以得知：記憶綿床墊的抗干擾性優(yōu)于乳膠床墊和棕墊床墊。

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(責(zé)任編輯林 芳)

TechnologyDevelopmentofHumanBodyPressureDistributionMeasurementBasedonFSR

LI Yanda， DAI Chengdong， GUO Binbin， FAN Chenguang

(School of Mechanics， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China)

The FSR pressure sensor system is used to measure the pressure on memory foam mattress, latex mattress and palm mattress, just as a mobile FSR “sheet”. A multi-point distribution measure system combined with the FSR system and UCAM multi-static test system, test the distributions of pressure for these three mattresses measured by lying supinely or laterally. Using cubic spline interpolation, the test results are visualizedby Matlab. The two-dimensional, three-dimensional pressure cloud map of the cases above-mentioned are respectively compared with each other. Experimental results show that, the maximum pressure of memory foam mattress is the smallest of the three ones, and it also has the most uniform pressure distribution. The anti-interfere ability of memory foam mattress is better than latex mattress and palm mattress.

FSR pressure sensor; human body pressure distribution; mattresses; memory foam

2017-06-09

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11302181)

李彥達(dá)(1994—)，男，碩士，主要從事力學(xué)研究，E-mail:kikoyang@live.cn。

李彥達(dá)，代成棟，郭斌斌，等.基于FSR的人體壓力分布測試技術(shù)開發(fā)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2017(10):78-83，113.

formatLI Yanda，DAI Chengdong，GUO Binbin，et al.Technology Development of Human Body Pressure Distribution Measurement Based on FSR[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(10):78-83，113.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.10.013

TP212

A

1674-8425(2017)10-0078-06